Cycloalkane

Guten Tag und Herzlich Willkommen! In diesem Video geht es um die Cycloalkane. Der Film ist wie folgt gegliedert: 1. Struktur 2. Konformation des Cyclohexans 3. Cyclohexanderivate   1. Struktur: Über Alkane haben wir im letzten Video gesprochen. Während Alkane molekular als Ketten auch verzweigt auftreten, so bilden Cycloalkane durchweg Ringe. Das einfachste Cycloalkan besteht aus drei Kohlenstoffatomen, die einen Ring bilden. An jedem Kohlenstoffatom sind zwei Wasserstoffatome gebunden. Drei Kohlenstoffatome, das bedeutet, es ist Cyclopropan. Man kann das Cyclopropanmolekül auch so darstellen. Damit wird die Ausrichtung der CH-Bindungen besser visualisiert. Die dritte und einfachste Möglichkeit ist einfach ein gleichseitiges Dreieck zu zeichnen. Entsprechend sieht die Strukturformel des Cyclobutanmoleküls so aus. In Skelettschreibweise muss man nur ein einfaches Quadrat zeichnen. Und das ist das Cycloalkan, das einen Ring aus fünf Kohlenstoffatomen bildet. Es handelt sich dabei um Cyclopentan. In Skelettschreibweise zeichnet man einfach ein regelmäßiges Fünfeck. Und das ist das Cycloalkan, das aus sechs Kohlenstoffatomen gebildet wird. Es handelt sich um Cyclohexan. In Skelettschreibweise zeichnet man einfach ein regelmäßiges Sechseck. Es gibt eine ganze Reihe von Eigenschaften, die Alkane und Cycloalkane  gemein haben. Zum Beispiel, dass es sich dabei um unpolare Verbindungen handelt. Es gibt aber auch einige Besonderheiten der Cycloalkane. Eine wollen wir hier besprechen. Es geht um den Begriff der Ringspannung. Was ist das? Nehmen wir das Cyclopropanmolekül. Man kann sich leicht überlegen, dass jeder Bindungswinkel in diesem Molekül 60 Grad beträgt. Das ist erheblich weniger als der Winkel C-C-C erfordert. Im Ergebnis kommt es zur sogenannten Ringspannung. Diese führt zur Instabilität des Moleküls. Wir wollen nun eine vergleichende Betrachtung der Moleküle vom Cyclopropan zum Cycloheptan anstellen. Es handelt sich dabei um Ringe, die drei bis sieben Kohlenstoffatome besitzen. Wir wollen die Differenz von 109 Grad, dem natürlichen C-C-C Winkel, und dem entsprechenden Innenwinkel in diesen Ringen bilden. Für Cyclopropan ist die Abweichung sehr groß mit 49 Grad. Beim Cyclobutan wird sie kleiner, mit 19 Grad. Fast übereinstimmend ist der Wert beim Cyclopentan. Dort beträgt die Differenz nur 1 Grad. In den negativen Bereich kommen wir, wenn wir zum Cyclohexan übergehen, minus 11. Und noch größer wird die Abweichung beim Cycloheptan mit minus 20. Aus dieser Übersicht sollte man annehmen, dass im Fall des Cyclopentans die Ringspannung praktisch 0 ist. Ist das wirklich so? Tatsächlich erhält man eine Ringspannung von 0 im Fall des Cyclohexans. Warum ist das so? Die Antwort ist verblüffend einfach. Cycloalkane mit n > 3 sind nicht planar. Das heißt, die Moleküle versuchen, die Spannungssituation zu vermeiden. 2. Konformation des Cyclohexans Cyclohexan kann in zwei wichtigen Konformationen auftreten. Links in der einen und rechts in der anderen Konformation. Erinnern euch diese Strukturen an bekannte Bilder aus dem Alltag? Richtig, die Molekülstruktur links erinnert an einen Sessel, während es sich rechts um eine Wanne handeln könnte. Die Form links ist die Sesselform, die Form rechts ist die Wannenform. Wenn man ein chemisches Gleichgewicht zwischen diesen beiden Formen annimmt, so kann man experimentell nachweisen, dass es stark in Richtung der Sesselform verschoben ist, die Energie zugunsten des Sessels beträgt 25 kJ/mol. Bei beiden molekularen Strukturen handelt es sich um Konformere. Wir wollen nun die Lage der Wasserstoffatome am Konformer des Sessels etwas näher betrachten. Ich habe hier zwei verschiedene Positionen eingezeichnet. Eine Position mit roter Farbe, die andere Position mit blauer Farbe. Bei den Wasserstoffatomen mit roter Farbe, handelt es sich um sogenannte axiale Stellungen, die Wasserstoffatome mit blauer Farbe beziehen sogenannte äquatoriale Positionen. Die Begriffe axial und äquatorial beziehen sich immer auf die Gesamtausrichtung des Moleküls. Äquatorial heißt in einer Ebene mit dem Molekül, axial heißt dazu senkrecht. Somit haben wir jeweils Paare von verschiedenen Wasserstoffatomen, axiale und äquatoriale. Ein Molekül des Cyclohexans, das in Sesselform vorliegt, kann in eine andere Sesselform übergehen. Das geschieht durch sogenanntes Umklappen. Dabei werden aus äquatorialen Wasserstoffatomen axiale gebildet. Aus axialen Wasserstoffatomen entstehen äquatoriale Wasserstoffatome. 3. Cyclohexanderivate Betrachten wir ein Cyclohexanmolekül in Sesselform. Wir haben bereits gezeigt, dass es umklappen kann und eine neue Sesselform bildet. Beide Moleküle, links und rechts, sind energetisch völlig gleich. Daher ist das chemische Gleichgewicht auch zu beiden Seiten gleich verteilt. Nehmen wir an, wir haben eine Methylgruppe in äquatorialer Position am linken Konformer. Nach dem Umklappen entsteht aus einer äquatorialen Methylgruppe eine axiale Methylgruppe. Delta G⁰ für diese Reaktion beträgt + 7,1 kJ/mol. Das bedeutet, dass das chemische Gleichgewicht links verschoben ist. Es gibt auch Fälle, wo das Cyclohexanmolekül mehrere Substituenten besetzt. Wir sollten uns zwei Regeln merken: 1. Die Sesselform ist grundsätzlich stabiler als die Wannenform. 2. Äquatorielle Positionen sind energetisch günstiger als axiale Positionen. Ich danke für die Aufmerksamkeit, alles Gute, auf Wiedersehen!